Розділ 2.1 Властивості газів, рідин, твердих тіл

Тема 2.1.8 Властивості рідин. Поверхневий натяг рідини.

Тема 2.1.9 Змочування. Капілярні явища.

Тема 2.1.10 Будова і властивості твердих тіл. Кристалічні й аморфні тіла.

Тема 2.1.11 Механічні властивості твердих тіл. Закон Гука.

Завдання для опрацювання тем

Викладач фізики: _____________ /Т.О.Семакова/

(підпис)

Т.В.О. завідувача відділення: _____________ /Н.В.Ротань/

(підпис)

Матеріали для опрацювання тем

Тема 1. Властивості рідин. Поверхневий натяг рідини.

1. Прочитати теоретичний матеріал, який наведено нижче.

2. Законспектувати опорний конспект у робочому зошиті.

3. Відповісти письмово на контрольні питання, що наведені нижче, у робочому зошиті. Готуватися відповідати на дані запитання в усній формі.

4. Розв’язати задачі для самостійного опрацювання у робочому зошиті. Розв’язок супроводити відповідними рисунками і поясненнями.

Теоретичний матеріал

Молекули речовини в рідкому стані розташовані майже впритул один до одного. На відміну від твердих кристалічних тіл, в яких молекули утворюють впорядковані структури у всьому об'ємі кристала і можуть здійснювати теплові коливання біля фіксованих центрів, молекули рідини володіють більшою свободою. Кожна молекула рідини, також як і в твердому тілі, «затиснута» з усіх боків сусідніми молекулами і здійснює теплові коливання біля деякого положення рівноваги. Проте, час від часу будь-яка молекула може переміститися в сусіднє вакантне місце. Такі перескоки в рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрів, як в кристалах і можуть переміщатися по всьому обсязі рідини. Цим пояснюється текучість рідин. Із-за сильної взаємодії між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) впорядковані групи, декілька молекул, що містять. Це явище називається ближнім порядком (мал.1).

Малюнок 1. Приклад ближнього порядку молекул рідини і дальнього порядку молекул кристалічної речовини: 1 – вода; 2 – лід.

Унаслідок щільної упаковки молекул стисливість рідин, тобто зміна об'єму при зміні тиску, дуже мала; вона в десятки і сотні тисяч разів менше, ніж в газах.

Найцікавішою особливістю рідин є наявність вільної поверхні. Рідина, на відміну від газів, не заповнює увесь об'єм судини, в яку вона налита. Між рідиною і газом (або паром) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовах в порівнянні з рештою маси рідини. Молекули в прикордонному шарі рідини, на відміну від молекул в її глибині, оточені іншими молекулами тієї ж рідини не з усіх боків. Сили міжмолекулярної взаємодії, що діють на одну з молекул усередині рідини з боку сусідніх молекул, в середньому взаємно компенсуються. Будь-яка молекула в прикордонному шарі притягується молекулами, що знаходяться усередині рідини (силами, що діють на дану молекулу рідини з боку молекул газу (або пара) можна нехтувати). В результаті з'являється деяка рівнодіюча сила, направлена углиб рідини. Якщо молекула переміститися з поверхні всередину рідини, сили міжмолекулярної взаємодії зроблять позитивну роботу. Навпаки, щоб витягнути деяку кількість молекул з глибини рідини на поверхню (тобто збільшити площу поверхні рідини), треба витратити позитивну роботу зовнішніх сил ΔA_внеш, пропорційну зміні ΔS площі поверхні:

ΔA_внеш = σΔS.

Коефіцієнт σ називається коефіцієнтом поверхневого натягу (σ > 0). Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює роботі, необхідній для збільшення площі поверхні рідини при постійній температурі на одиницю.

У СІ коефіцієнт поверхневого натягнення вимірюється в джоулях на метр квадратний (Дж/м²) або в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м²).

Отже, молекули поверхневого шару рідини володіють надмірними в порівнянні з молекулами усередині рідини потенційною енергією. Потенційна енергія E_pповерхні рідини пропорційна її площі:

E_p = A_внеш = σS.

З механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення її потенційної енергії. Звідси витікає, що вільна поверхня рідини прагне скоротити свою площу. З цієї причини вільна крапля рідини приймає кулясту форму. Рідина поводиться так, як ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу.

Наявність сил поверхневого натягнення робить поверхня рідини схожою на пружну розтягнуту плівку, з тією тільки різницею, що пружні сили в плівці залежать від площі її поверхні (тобто від того, як плівка деформована), а сили поверхневого натягнення не залежатьвід площі поверхні рідини.

Деякі рідини, як, наприклад, мильна вода, володіють здатністю утворювати тонкі плівки. Всім добре відомі мильні міхури мають правильну сферичну форму – в цьому теж виявляється дія сил поверхневого натягнення. Якщо в мильний розчин опустити дротяну рамку, одна із сторін якої рухома, то вся вона затягнеться плівкою рідини (мал.3).

Малюнок 3.

Рухома сторона дротяної рамки в рівновазі під дією зовнішньої сили і результуючої сил поверхневого натягнення .

Сили поверхневого натягнення прагнуть скоротити поверхню плівки. Для рівноваги рухомої сторони рамки до неї потрібно прикласти зовнішню силу:

Якщо під дією сили перетинка переміститися на Δx, то буде проведена робота ΔA_внеш = F_внешΔx = ΔE_p = σΔS, де ΔS = 2LΔx – приріст площі поверхні обох сторін мильної плівки. Оскільки модулі сил і однакові, можна записати:

Коефіцієнт поверхневого натягнення σ може бути визначений як модуль сили поверхневого натягу до довжини лінії, обмежуючої її поверхню.

Через дію сил поверхневого натягнення в краплях рідини і усередині мильних міхурів виникає надмірний тиск Δp. Якщо в думках розрізати сферичну краплю радіусу R на дві половинки, то кожна з них повинна знаходитися в рівновазі під дією сил поверхневого натягу, прикладених до межі 2πR розрізу, і сил надмірного тиску, що діють на площу πR² перетину (мал.4). Умова рівноваги записується у вигляді

σ2πR = ΔpπR².

Звідси надмірний тиск усередині краплі рівний

Малюнок 4.

Перетин сферичної краплі рідини.

Надмірний тиск усередині мильної бульбашки в два рази більше, оскільки плівка має дві поверхні:

Опорний конспект

Рідина – агрегатний стан речовини, який по своїм властивостям займає проміжне положення між газом і твердим тілом. Тобто,

· Молекули у рідині розташовані на відстанях менших, ніж у газах, але більших, ніж у твердих тілах; отже, рідкий стан речовини характеризується щільною упаковкою молекул.

· Порядок у розміщенні частинок рідини зберігається на невеликих відстанях, тобто у рідинах існує ближній порядок у розташуванні молекул. Такий стан рідини називають квазікристалічним;

· Взаємодія між молекулами сильна;

· Молекули здійснюють коливальнийрух, але можуть перескакувати з одного положення рівноваги в інше.

· Рідина зберігає об’єм ( бо відстані між молекулами рідини менші радіуса молекулярної взаємодії), але не зберігає форму (набирає форму посудини, в яку вона налита),тобто має властивості текучості;

· Молекули рідини коливаються навколо тимчасового положення рівноваги ≈ 10^-12 – 10^-10 с, названим часом осілого життя молекул;

· На межі з газом або парою рідина утворює вільнуповерхню

Проаналізуємо стан на поверхні рідини:

F_p # 0

.

Поверхневий шар стає збіднений молекулами, тому знаходиться у стані своєрідного натягу, який і отримав назву поверхневий натяг.

Сили, які діють у горизонтальній площині, стягуючи поверхню рідини, називаються силами поверхневого натягу.

З енергетичної точки зору: молекули в поверхневому шарі володіють надлишковою потенційною енергією у порівнянні з молекулами всередині рідини. Тому із цього шару прагне піти всередину рідини якомога більше молекул. В результаті цього рідина завжди приймає таку форму, при якій її вільна поверхня стає найменшою в даних умовах.

А С А С

В D В D

Рис. 1.2

З математики відомо, що при заданому об’ємі найменшу поверхню має куля, тому мильні бульбашки і приймають кулеподібну форму.

Поверхневі властивості рідини можна охарактеризувати відношенням роботи сил поверхневого натягу до зміни площі вільної поверхні .

(1.1); [ σ ] =

Відомо, що здійснена робота є мірою зміни енергії, в даному випадку – поверхневої енергії, тобто

(1.2)

Рівняння (1.2) називається коефіцієнтом поверхневого натягу або питомою поверхневою енергією.

Оскільки на одиницю вільної поверхні діє сила поверхневого натягу, тоді:

(1.3)

, бо ( )

---

123456